喀斯特山地典型植被类型凋落物和土壤水文效应

赵 敏, 戴全厚, 严友进, 姚一文, 丁鹏玮, 周 红

(1.贵州大学 林学院, 贵阳 550025; 2.贵州大学 喀斯特地质资源与环境教育部重点实验室,贵阳 50025; 3.贵州大学 土壤侵蚀与生态修复研究中心, 贵阳 550025)

喀斯特地区是我国四大生态脆弱地区之一[1]。由于长期以来的植被破坏导致的石漠化使当地的生态环境问题愈发严重。故开展植被恢复,遏制和治理石漠化成为该地区各项工作的重中之重。地处亚热带的西南喀斯特地区降水资源丰富,但出于该地区独特的地上地下二元水文结构使得降雨到达地表后快速渗入地下岩溶管道,从而导致了地表土壤常处于干燥状态,难以为植物生长提供足够的水分,从而限制了植被恢复[2-3]。解决喀斯特工程性缺水限制植被恢复的问题,是该地区开展石漠化治理和生态修复亟待解决的问题。

凋落物层是补充土壤有机质的“仓库”,同时影响着生态系统的水源涵养和物种多样性[4-5]。一方面,凋落物层作为林下水源涵养主体的第二层,可截留超过林冠层2～3倍的降水量[6]。截留降水的同时防止雨滴溅蚀,保护表土结构的完整,较大程度上抑制地表径流的产生和下层土壤水分蒸发。另一方面,凋落物分解产生的有机酸和腐殖质影响着土壤蓄水及入渗能力,增加土壤疏松程度和孔隙度,进而改善整个森林生态系统的水文循环[7-8]。而土壤层作为森林生态系统的“蓄水库”,在森林生态系统水文循环过程中利用其特有的毛管孔隙结构促进降水及径流的下渗。植被作为森林中不可或缺的重要组成部分,其通过在林下形成不同的植被类型影响凋落物现存蓄积量、分解速率和拦蓄特征,影响凋落物层覆盖下土壤层持水特征,从而改变坡地水文过程。已有研究表明随着植被恢复,植被类型随之改变,凋落物覆盖率增加和土壤各理化性质逐渐优化,为植被恢复向着良性循环发展作出了有效贡献,现已经成为调控森林水文循环的关键环节[9-10]。且不同方式的植被恢复能在不同程度上改善喀斯特地区凋落物和土壤水文特征已经得到相关学者证实。周秋文[11]研究发现,在喀斯特地区种植持水效应更好的树种,可提升凋落物的水文效应。刘玉国等[12]通过对喀斯特森林凋落物水文作用的研究,认为随凋落物厚度增加,土壤水分蒸散速度减低。彭玉华等[13]通过研究桂西南喀斯特山地凋落物,发现进行适宜且有效的林分改造,可增强土壤拦蓄能力。前人的研究均证实了植被类型会引发凋落物以及土壤差异,但对可能引起的水文效应差异尚不可知。且大多仅以凋落物或土壤为对象研究其持水性能,从喀斯特典型植被类型出发,研究凋落物和土壤水文效应及二者互作特征的鲜有。同时,针对喀斯特山地凋落物持水特性的研究,大多将林下凋落物视为一个整体开展,而不同分解程度凋落物的水文效应尚缺乏研究。

针对现有的不足,本研究以黔中典型喀斯特山地为研究区,探究5种典型植被类型不同分解程度凋落物蓄积和持水特征以及土壤物理和持水特征,同时分析二者的相关性,以期为喀斯特地区森林水文作用的改善以及植被恢复提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 研究区概况

研究于2021年6月—7月在贵阳市花溪区芦荻村(26°26′25″—26°26′40″N,106°34′6″—106°34′23″E)进行样地的调查和样品选取,研究区为典型的喀斯特地质地貌,亚热带季风湿润温和型气候,年均温16.4℃,年总积温5 984℃,年日照时数1 344.9 h,无霜期约为296 d,年平均降雨量1 216 mm,全年平均相对湿度在75%。土壤以碳酸盐发育成的石灰土为主。研究区主要的植被类型为草地、灌丛、草灌复合丛、乔灌复合林、以及乔木林。

1.2 样地设置与样品采集

本研究以研究区的5种主要植被类型为研究对象,每一植被类型分别布设3个20 m×20 m的样地。各样地间除了植被类型不同,其余环境条件基本相似,样地基本情况如表1所示。在每个样地内采用“五点采样法”选取5个1 m×1 m的小样方,样方内按不同分解程度采集凋落物,共计采集225个凋落物样。凋落物野外采集完立即使用精度为0.01 g的可携带式天平称其鲜重,用于计算凋落物含水量以及蓄积量。凋落物分成两部分,一部分用于持水特征测定,一部分用蓄积量测定。同时在凋落物采集完的样方内采集0—30 cm土层的环刀土样用于测定土壤物理性质。每个土层深度为10 cm,在每个土层中用100 cm3环刀采集原状土3个,共计675个原状土样。

表1 样地基本情况Table 1 A basic overview of sample plot

1.3 测定方法

采用称重法获取凋落物的蓄积量(A)、自然含水率(R0)。另外采用浸泡法测定凋落物的持水量,记录持水量(M),同时计算最大拦蓄量(Lmax)、最大持水率(Wmax)、有效拦蓄量(LE)。各指标计算公式如下:

A=WD/1/100

R0=(W0-WD)/WDWmax=(W24-WD)/WDLmax=(Wmax-R0)×ALE=(0.85×Wmax-R0)×A

式中:A为枯落物单位面积蓄积量(t/hm2);WD为枯落物干重(g);W0为枯落物鲜重(g);R0为自然含水率(%);W24为枯落物持水24 h后的重量(g);0.85为有效拦蓄系数。

土壤持水特征指标包括容重(BD)、自然含水量(Cn)、毛管持水量(Cm)、最大持水量(Cmax)、最小持水量(Cmin)、非毛管孔隙度(Gnm)、毛管孔隙度(Gm)、总孔隙度(Gz),均使用环刀法进行测定,将野外采样回来的环刀立即置于水中浸泡12 h,称重计算得Cmax,然后放置在石英砂沙盘中2 h称重计算得Cm,继续浸水24 h得Cmin,最后将环刀土置于105℃恒温烘箱中烘干至恒重得BD,Cn,Gnm以及Gm,Gnm和Gm之和即为Gz。各指标计算公式如下:

BD=(G-G0)/100

Cn=(M-G)/(M-G0)

Cm=(G2 h-G)/GCmax=(G12 h-G)/GCmin=(G24 h-G)/GGnm=(Cmax-Cm)×BD

Gm=Cm×BD

Gz=Gm+Gnm

式中:G为烘干后环刀及土重(g);M烘干前环刀及土样质量;100为环刀体积100 cm3;G0为环刀重(g);G2 h为环刀放置沙盘2 h重(g);G12 h为环刀浸水12 h重(g);G24 h为环刀放置沙盘24 h重(g)。

1.4 数据处理

采用Excel 2016对试验数据进行初步统计分析,SPSS 21.0对数据进行平均值以及标准差的计算,Pearson相关性分析,邓肯多重比较,双重显著性分析。利用Statistica10.0进行广义线性分析。利用Origin 2021进行图表的绘制。

2 结果与分析

2.1 不同植被类型凋落物水文效应

2.1.1 不同植被类型凋落物蓄积量 方差分析结果表明植被类型和分解程度对凋落物蓄积量均有极显著影响(p<0.01),而植被类型和分解程度的交互作用对凋落物蓄积量的影响相对较弱(表2)。由图1A可知,5种植被类型凋落物蓄积量大小为乔灌复合林>乔木林>草灌复合丛>灌丛>草地。乔灌复合林的总蓄积量最大为3.57 t/hm2,而草地的总蓄积量最小为1.80 t/hm2。由此可以看出,凋落物蓄积量大小与植被类型差异相关,且群落组成越复杂,植株分布密度越高,蓄积量随之越大,反之越小。由图1B可知,不同植被类型凋落物未分解层、半分解层以及全分解层蓄积量,各层所占比例也有所不同,总体而言,5种植被类型凋落物均以全分解层蓄积量占比最大,除草灌复合丛、乔灌复合林外,其余植被类型均以半分解层蓄积量占比最小。

图1 不同植被类型下凋落物蓄积量

表2 基于方差分析的植被类型和分解程度对凋落物蓄积量和持水特性的显著性Table 2 Two-factor ANOVAs of vegetation type, soil depth and their interactor on Litter volume and water holding characteristics

2.1.2 不同植被类型凋落物持水特征 方差分析表明凋落物最大含水率受植被类型以及分解程度显著影响(p<0.01),最大拦蓄量仅受植被类型显著影响(p<0.01),有效拦蓄量则仅受分解程度显著影响(p<0.01)(表3)。如图2所示,5种类型植被最大含水率、最大拦蓄量、有效拦蓄量均呈现出随分解程度增大而变小的趋势。不同植被类型凋落物之间持水性能均存在差异,最大含水率表现为草地(314.10%)>草灌复合丛(252.56%)>乔灌复合林(236.29%)>灌丛(222.86%)>乔木林(207.38%);最大拦蓄量和有效拦蓄量变化规律类似,均表现为乔木林(1.22 t/hm2,0.96 t/hm2)>草地(1.17 t/hm2,0.94 t/hm2)≥乔灌复合林(1.17 t/hm2,0.80 t/hm2)>草灌复合丛(0.96 t/hm2,0.73 t/hm2)>灌丛(0.81 t/hm2,0.62 t/hm2)。

注：图中不同大写字母同一植被型,不同分解程度上差异显著(p<0.05);不同小写字母表示同分解程度,不同植被类型差异显著(p<0.05)。

表3 基于方差分析的植被类型和土层深度对土壤持水特性的显著性Table 3 Two-factor ANOVAs of vegetation type, soil depth and their interactor on soil water retention characteristics

2.2 不同植被类型土壤水文效应

2.2.1 不同植被类型土壤物理特征 图3表明:土壤容重表现为草地>草灌复合丛>灌丛>乔灌复合林>乔木林,总孔隙度整体表现为乔木林>乔灌复合林>灌丛>草灌复合丛>草地,其中乔木林的总孔隙度为57%,是最小草地的1.14倍。同时乔木林的毛管孔隙度也显著大于其他植被类型(p<0.05),为51%,占总孔隙度的89%。非毛管孔隙度也呈现同样规律,乔木林非毛管孔隙度显著大于其他植被类型,草地显著小于其他植被类型。

注：图中不同小写字母表示不同植被类型间差异显著(p<0.05)。

2.2.2 不同植被类型土壤持水特征 植被类型和土层深度对土壤各持水性能的影响进行方差分析,结果表明不同植被类型对土壤各持水指标均产生极显著影响(p=0)(表3)。由图4可以看出,乔木林表层土壤自然含水量和最小含水率显著高于其他植被类型(p<0.05),其平均值达到45.01%,53.12%,分别是草地表层土壤的1.22倍、1.34倍。毛管持水量和最大持水量呈现出相同规律,均表现为乔木林和乔灌复合林大于草灌复合丛以及灌丛,显著大于草地(p<0.05)。综上,5种植被类型中以乔木林土壤各物理性质以及持水性能最优,草地土壤最差。且这一结果与凋落物蓄积量呈现出类似规律,可见植被类型差异对凋落物层以及土壤层作用水文效应均有一定影响。

2.3 凋落物及土壤持水特性相关性分析

相关性分析结果可见,土壤最大持水量、最小持水量和毛管持水量与土壤容重存在显著的负相关关系,与孔隙特性以及凋落物的有效拦蓄量、最大拦蓄量均存在显著的正相关关系。其中,土壤最大持水量、最小持水量和毛管持水量与土壤孔隙指标的相关性较高。表明土壤持水性能主要受到土壤孔隙特性的影响。此外,土壤孔隙特性主要与土壤容重存在显著的负相关关系,其与凋落物拦蓄特性相关性不明显,而土壤容重则显著的受到凋落物有效拦蓄量、最大拦蓄量的显著的削弱作用。可见,植物的凋落物对土壤持水性的影响是通过其有效拦蓄量和最大拦蓄量降低土壤容重,改善土壤孔隙特性,进而提高土壤的持水性。

3 讨 论

3.1 植被类型对凋落物水文效应的影响

林下凋落物蓄积量是植被器官死亡凋落和分解动态平衡的结果,受植被自身性质、分解速率、人为活动、林木类型等多方面因素影响[14-15],但植被类型仍是制约凋落物蓄积量的首要因子[16-17],这是由于不同类型植被在叶面积指数、凋落物厚度、林木密度等方面存在差异[18]。本研究比较了5种喀斯特地区不同植被类型凋落物的蓄积量,结果表明植被类型和凋落物分解程度均对蓄积量影响显著(表2),乔灌复合林、乔木林凋落物的蓄积量明显大于其他类型凋落物,这可能是由于乔木凋落物大部分为面积较大落叶和较粗枝干,同时乔木林、乔灌复合林的生态系统相较更为成熟,养分输入量更大且循环过程更完整[19],致使凋落物输入量更大。同时研究结果表明不同分解程度凋落物蓄积量占比也不一样,本研究结果5种植被凋落物均以全分解层占比最大,可能是因为全分解层受土壤以及上层凋落物分解输入的影响,同时全分解层破碎度以及组成结构更为复杂。本研究结果进一步论证了蓄积量会因植被类型以及凋落物分解程度不同而受到影响。

凋落物持水特征是评价森林水文效应的重要指标,常用有效拦蓄量来表示凋落物对雨水的实际拦截能力,最大含水率表征凋落物对雨水的最大拦截吸收能力[20]。本研究结果表明草地最大持水率最高,乔木林最低,但最大含水率是通过室内浸泡试验得出的理想持水指标,野外条件下,凋落物对雨水截留能力会受到其自身自然含水量以及蓄积量等因素的影响[15,21]。有效拦蓄量由凋落物蓄积量、自然含水量和最大含水率综合推算而成[22],其结果可反映凋落物的持水能力,结果显示5种植被类型有效拦蓄量最大为乔木林(0.96 t/hm2),其次为草地(0.94 t/hm2),这与前人研究结果一致[18,23],通过两指标的对比分析,自然含水量以及蓄积量等在较大程度上制约草地植被持水能力,这极可能与研究区草地植被优势种以叶面积指数较大的禾本科为主,王盛琦[24]对沙地枯落物研究也表明禾本科植被扣除自身含水率,其持水潜力以及拦蓄能力均大于乔灌木。同时本研究结果显示最大含水率以及有效拦蓄量均随分解程度增大而减小,主要是因为随着分解程度的增加,枯枝落叶破碎程度加大组成更加复杂,结构逐渐紧密间隙变小,凋落物部分或已腐烂变质[24],从而吸水能力减弱。

3.2 植被类型对土壤水文效应的影响

持水性能反映土壤对微生物活动以及酶促作用进行的支撑能力[25],对土壤肥力改善起到至关重要的影响,同时土壤持水是林地水源涵养的主体[26]。其中最大持水量是土壤含蓄水分的最大体现,反映土壤的蓄水能力。本研究中土壤最大含水量的最大值出现在乔木林以及乔灌复合林,说明这两种植被类型林分对于较大降水的截留和含蓄能力较优秀。毛管持水量反映土壤对外源水分输入调节和涵养的能力,关系到森林对降水储存能力,同时毛管孔隙中持有全部毛管水和少量膜状水,是可以全部为植物根系吸收利用以及土壤蒸腾作用的水分,对于植株生长和森林水分循环具有重要的生态学意义。本研究中的乔木林和乔灌复合林毛管持水量较草地植被而言,体现出绝对的优势,分析其原因可能一方面是因为乔木林植被凋落物蓄积量更大,更易在森林内形成防止雨滴溅蚀以及径流冲刷的缓冲层,创造土壤毛管孔隙形成的有利条件,另一方面可能是因为研究区中乔灌植被根系多为可在土壤中穿插纵横的粗根,具有较高的密度,而草地植被多为密度较小的浅根,不利于毛管孔隙的形成[27]。综上可知,群落物种组成较简单、植被盖度较低和地上生物量的较小草地和草灌复合丛土壤体现出了较差的水源涵养能力,而植被种类组成丰富,空间组成结构更复杂的乔灌复合林以及乔木林在土壤水源涵养能力上则表现出了明显优势。方差分析结果(表3)进一步说明科学调整植被类型,进行合理的植被恢复,可使土壤持水性能得到较大改善。

土壤持水性能受到土壤疏松程度、孔隙状况等多方面因素影响,明确不同因素对土壤持水性能改善的能力,可为土壤水源涵养效应的改善和调节提供依据。土壤容重、孔隙度通过影响土壤的通气和蓄水性能,是与林下土壤水源涵养以及导水能力的相关性较强的重要指标[28]。容重表征土壤紧实度,土壤容重越小说明更加疏松,其保水保肥能力更强,反之则表明土壤质地越紧实,蓄水储肥空间越小。孔隙度状况反映着土壤的透气和持水性,同时也是土壤蓄水能力的决定性因子。相关分析结果表明,土壤持水性能与容重、孔隙度呈现显著相关关系,这与李鹏等[29]的研究结果一致。有研究认为较好的土壤孔隙特征和较为疏松的土壤质地是土壤水运移的有利条件,同时也可有效抑制土壤水分蒸散并增加对地下水的补给[30]。凋落物覆盖在土壤表层,形成粗糙度较高、对径流拦截吸收量较大的土表保护层,相关研究表明凋落物的输入可显著改善土壤水文效应[29,31],本研究中凋落物拦蓄量与土壤持水性能显著相关性佐证了这一点(图5)。综上,说明改善林分结构,增加物种多样性,通过增加土壤疏松孔隙状况以及增加凋落物拦蓄状况,可提升喀斯特地区林分土壤对水分的储蓄能力。

注：椭圆右倾表示正相关,左倾表示负相关,p<0.05。

本文从不同植被类型出发研究了凋落物以及土壤的水源涵养效应,探究了凋落物对土壤持水性能的影响,综合而言乔木林以及乔灌复合林土壤及凋落物水文涵养能相对较优,但由于喀斯特地区特殊的地质生态环境,直接选择乔木林为植被恢复模式可行性不高,为尽可能提高生态修复效益,可以乔灌复合型植被为该地区首要的植被恢复类型。

4 结 论

(1) 乔木林以及乔灌复合林凋落物具有较大的蓄积量,乔木林持水性能更佳,在森林生态中将发挥较好的水文效应。

(2) 乔木林以及乔灌复合林土壤物理性质以及对水分的涵蓄能力更佳。

(3) 土壤物理及持水性能与凋落物拦蓄特征显著相关。凋落物通过降低土壤容重,改善土壤质地以及孔隙状况,对土壤持水性能产生影响。